ما هي شبكة LPWAN؟ مقدمة لتقنية شبكات المناطق الواسعة منخفضة الطاقة

اليوم، جعلت التطورات الهائلة في تقنيات إنترنت الأشياء من التواصل بين الأفراد والأجهزة أمرًا مستحيلًا. برزت شبكات LPWAN كموضوعٍ رئيسي في عالم إنترنت الأشياء، مقدمةً حلولًا لم تكن متاحةً من قبل. بالنسبة للمدى القصير، كان لدينا حلولٌ مثل واي فاي، بلوتوث، زيجبي وغيرها. وللمسافات الأطول، كانت هناك شبكات خلوية 2G و3G و4G وما شابه.

لكن إذا نظرت إلى هذه التقنيات اللاسلكية بناءً على احتياجاتها من الطاقة ومداها، ستلاحظ وجود فجوة في الخيارات منخفضة الطاقة وطويلة المدى. وهذا هو المجال الذي تناسبه تقنية LPWAN تمامًا. فهي تملأ ذلك الفراغ المتمثل في قصر عمر البطارية وطول المسافة الذي كان مفقودًا في مجموعة خيارات الاتصالات اللاسلكية التي كانت متوفرة لدينا سابقًا.

ما هو LPWAN

LPWAN، أو شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (وتُسمى أحيانًا LPWA)، مصطلح حديث نسبيًا، وليس معيارًا أو تقنيةً واحدة. بل هو مصطلح عام يشمل بروتوكولاتٍ مُختلفة خاصة ومفتوحة المصدر. في جوهره، يشير LPWAN إلى مجموعة من الشبكات اللاسلكية المُصممة للاتصالات طويلة المدى منخفضة الطاقة بين الأجهزة.

تتراوح مسافة الاتصال لتقنيات شبكات LPWAN بين بضعة كيلومترات في المناطق الحضرية وعشرة كيلومترات إضافية في المناطق الريفية. وهذا يعني في جوهره أن الاتصالات أصبحت أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة، أي أننا قادرون على زيادة المدى إلى أقصى حد مع استهلاك أقل للطاقة. ومن المتوقع أن تشهد شبكات LPWAN في المستقبل القريب تطبيقًا أوسع وأكثر ابتكارًا.

الطوبولوجيا والهندسة المعمارية في تقنيات LPWAN

بناءً على بنيتها الطوبولوجية، يمكن تقسيم شبكات LPWAN إلى فئتين رئيسيتين: نجمية وشبكية. وفي هذا الصدد، عادةً ما تكون تقنيات الهاتف الخلوي عالمية في هذا الصدد وتدعم التنقل. تُفضّل شبكات LPWAN ذات الطوبولوجيا النجمية أو النجمية على شبكات شبكية أخرى نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة.

في صميم شبكة LPWAN، تشمل المكونات الأخرى لبنية بسيطة لشبكة LPWAN الاتصال اللاسلكي والإنترنت والسحابة. تجمع المحطة/البوابة الأساسية البيانات من العديد من العقد الطرفية الموزعة عن بُعد، وتستجيب لمدخلات الشبكة. تُعد المحطة/البوابة الأساسية الجهاز الحدودي الذي يستقبل هذه البيانات ويفككها، ثم يرسلها عبر وصلة نقل خلفية TCP/IP قياسية، مثل إيثرنت أو شبكة خلوية، إلى خادم خلفي.

بالنسبة لخدمات شبكات LPWAN العامة، تُمرَّر البيانات عبر خوادم مُشغِّل الشبكة قبل إرسالها إلى تطبيق المستخدم النهائي. أما في شبكات LPWAN المُدارة بشكل خاص، فيمكن توجيه البيانات مباشرةً إلى الواجهة الخلفية المُحدَّدة مُسبقًا للمستخدم النهائي. وهذا يضمن خصوصية بيانات جهاز LPWAN وأمانها.

معايير LPWAN: LPWA الخلوية وLPWA غير الخلوية

قبل الخوض في تقنيات شبكات LPWAN، من الضروري فهم الفئات الرئيسية التي تندرج تحتها. يمكن تصنيف شبكات LPWAN بشكل عام إلى مجموعتين: تلك التي تعمل ضمن نطاقات تردد غير مرخصة (مثل LoRa وSigFox)، وتقنيات خلوية تعمل ضمن نطاقات تردد مرخصة وتلتزم بمعايير 3GPP (مثل LTE-M وNB-IoT). سنستعرض أدناه بعض خيارات تقنيات LPWAN المُستخدمة بنشاط.

شبكة LPWAN الخلوية (الطيف المرخص)

تتطلب شبكات LPWAN الخلوية ترخيصًا من الجهات الحكومية أو التنظيمية، وعادةً ما تستفيد من البنية التحتية الحالية لمشغلي الشبكات. ومع ذلك، فهي تتطلب اتصالاً موثوقًا بين الجهاز ومحطة القاعدة، مما يجعلها أكثر ملاءمة للمناطق المكتظة بالسكان مثل المراكز الحضرية والمناطق السكنية والمجمعات الصناعية. تشمل معايير شبكات LPWAN الخلوية EC-GSM-IoT وLTE Cat. M1 (LTE-M) وNB-IoT، التي تعمل ضمن نطاق LTE (700 ميجاهرتز - 3.5 جيجاهرتز).

EC-GSM-إنترنت الأشياء

EC-GSM-IoT (أو تغطية GSM الموسعة) هي تقنية إنترنت الأشياء (GSM IoT) التي طُرحت لأول مرة من قِبل مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) في الإصدار 13. وهي تقنية خلوية LPWAN تعتمد على eGPRS، وتهدف إلى الاستفادة من شبكات وبنية تحتية خلوية قائمة (معظمها 2G/GSM) لإنشاء اتصالات إنترنت الأشياء عن بُعد. تستخدم هذه التقنية طيفًا تردديًا مرخصًا لتوفير اتصالات موثوقة وآمنة. مقارنةً بتقنيات خلوية أخرى، توفر تقنية GSM تغطية أوسع. وتحافظ نسختها المُحسّنة، eGPRS/EDGE، على هذه الميزة مع دعم سرعات بيانات أعلى.

إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT)

NB-تقنيات عمليات إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) هو معيار لتقنية راديو LPWAN، طورته 3GPP لتوصيل أجهزة إنترنت الأشياء. وبصفتها إحدى تقنيات 3GPP CIoT، تُعرّف تقنية إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) الواجهة اللاسلكية لاتصالات إنترنت الأشياء بشكل أوضح مقارنةً بتقنيات EC-GSM-IoT وLTE-M. تعمل هذه التقنية ضمن نطاقات ترددية مرخصة، وتستخدم نطاقًا تردديًا ضيقًا يبلغ حوالي 180 كيلوهرتز. وقد تم توحيد تقنية إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) من خلال التعاون بين 3GPP وشركات رائدة في مجال معدات الاتصالات مثل نوكيا وهواوي وإريكسون.

LTE-M

LTE-M (اتصال آلة إلى آلة LTE)، والمعروف أيضًا باسم eMTC (اتصال آلة مُحسّن)، هي تقنية إنترنت أشياء LPWAN من 3GPP، مشتقة من LTE. تدعم هذه التقنية سرعات بيانات وتنقلًا أعلى (تصل إلى 350 كم/ساعة) مقارنةً بإنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT). تعمل LTE-M ضمن نطاق ترددي مرخص، متزامنة مع شبكات الهاتف المحمول من الجيل الثاني والثالث والرابع والخامس.

عُرفت تقنية LTE-M في البداية باسم MTC منخفض التكلفة في الإصدار 3 من مشروع 12GPP، ثم أُعيدت تسميتها إلى eMTC في الإصدار 13. وقد وسّعت التحسينات في إصدارات 3GPP قدرات LTE-M. مكّن الإصداران 14 و15 من دعم مستويات تغطية مُحسّنة مع إمكانية التنقل. وأضاف الإصدار 14 إمكانية VoLTE (الصوت عبر LTE). وبنى الإصدار 15 على هذه الإمكانيات مع حالات استخدام جديدة لأجهزة إنترنت الأشياء عالية التنقل. وواصل الإصدار 16 هذا التطور مع تحسينات للتوافق مع تقنية 5G New Radio (NR).

شبكة LPWAN غير الخلوية (الطيف غير المرخص)

تعمل شبكات LPWAN غير الخلوية ضمن نطاقات تردد ISM غير مرخصة، ولا تعتمد على البنية التحتية لمشغل الشبكة. تنقل الأجهزة البيانات مباشرةً أو عبر بوابات إلى خوادم التطبيقات/الشبكات. إلى جانب LoRa، تشمل شبكات LPWAN غير الخلوية الأخرى Sigfox وWeightless وRPMA وSymphony Link وWize وDASH7، وغيرها، وتستخدم نطاق التردد دون جيجاهرتز، بسرعات اتصال تتراوح بين 100 بت في الثانية و250 كيلوبت في الثانية، ولمسافات تتراوح بين 2 كيلومتر و100 كيلومتر. تُستخدم شبكات LPWAN غير الخلوية عادةً في المناطق النائية ذات التغطية الخلوية المحدودة، والمناطق الجبلية، والجزر، ولتطبيقات شبكات المؤسسات المخصصة.

لورا/لوراوان

لورا هي مواصفات PHY لمجموعة البروتوكولات، وتشير تحديدًا إلى تعديل Chirp Spread Spectrum الخاص الذي طورته شركة Semtech. LoRaWAN تعرف هذه المعايير بروتوكول طبقة MAC وهندسة النظام العاملة فوق طبقة LoRa PHY، والتي تديرها LoRa Alliance، والتي تنمو بسرعة مع ما يقرب من 500 شركة عضو على مستوى العالم.

يُقصد بتقنية LoRa بشكل أساسي الاتصال الصاعد من أجهزة طرفية متعددة إلى بوابات، باستخدام رسائل مشفرة عبر قنوات ومعدلات بيانات مختلفة لتقليل التصادمات وزيادة سعة البوابة. وهي مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب حمولات بيانات صغيرة واتصالات غير متكررة في المناطق الحضرية والريفية/النائية. تستطيع بوابة LoRaWAN واحدة التعامل مع الاتصالات من العديد من العقد والأجهزة الطرفية.

سيجفوكس

Sigfox هي إحدى تقنيات LPWAN غير التابعة لـ 3GPP، وقد لاقت انتشارًا واسعًا. وهي تقنية LPWAN خاصة، سُميت تيمنًا بشركة Sigfox التي طرحتها لأول مرة. تستخدم هذه التقنية موجات راديوية فائقة الضيق النطاق لتحقيق اتصال لاسلكي فائق المدى ومنخفض الطاقة بتقنيات إنترنت الأشياء.

مع ذلك، يحدّ النطاق الترددي الضيق لشركة Sigfox بشدة من قدرة الاتصال الهابط على نقل البيانات إلى الأجهزة. وقد يؤدي هذا النطاق فائق الضيق إلى مشاكل تداخل محتملة. على الرغم من هذه القيود، لا تزال Sigfox لاعبًا بارزًا في شبكات LPWAN، وقد حققت نجاحًا كبيرًا في أوروبا.

انعدام الوزن

تأسست مجموعة الاهتمامات الخاصة بـ Weightless (Weightless SIG) عام ٢٠٠٨، بهدف توحيد معايير تقنية شبكات LPWAN. وتضم المجموعة المروجة كلاً من Accenture وM2008COMM وARM وTelensa وSony Europe.

يتألف بروتوكول Weightless من ثلاثة أنواع مصممة خصيصًا لتطبيقات مختلفة: Weightless-W، وWeightless-N، وWeightless-P. يعمل بروتوكول Weightless-W في نطاق الفضاء الأبيض للتلفزيون (TVWS)، ويتميز بنشر أكثر تعقيدًا. أما بروتوكول Weightless-N، فهو مشابه لبروتوكول Sigfox، كونه بروتوكولًا ضيق النطاق يعمل في نطاق الترددات دون غيغاهرتز غير المرخص، والذي تستخدمه NWave. بشكل عام، حظي بروتوكولا Weightless-N وWeightless-P باهتمام وانتشار أكبر مقارنةً ببروتوكول Weightless-W.

رابط سيمفوني

سيمفوني لينك (Symphony Link) هو بروتوكول LPWAN طورته شركة لينك لابز (Link Labs)، وهي شركة عضو في تحالف LoRa. تستخدم لينك لابز شرائح الطبقة المادية LoRa من سيمتك، ولكنها طبقت حزمة برامج خاصة بها لطبقة MAC تُسمى سيمفوني لينك (Symphony Link)، بدلاً من استخدام مواصفات LoRaWAN المفتوحة.

بالمقارنة مع معيار LoRaWAN، فإن الاختلافات الرئيسية في Symphony Link هي بعض قدرات الشبكة المحسنة مثل تسليم الرسائل بشكل موثوق وتوسيع الشبكة الديناميكي عن طريق إضافة بوابات.

تطبيقات تقنيات LPWAN

تُعد تقنية LPWAN الخيار الأمثل من حيث المدى واستهلاك الطاقة. يتيح استخدام تقنية LPWAN جمع البيانات من أجهزة الاستشعار عن بُعد وتتبعها لمسافات طويلة. في هذا القسم، سنستكشف بعض استخداماتها العملية.

عدادات الغاز والمياه الذكية

تستخدم أنظمة قراءة العدادات الآلية شبكات LPWAN لجمع بيانات استهلاك المرافق، بما في ذلك الكهرباء والغاز والمياه، لاسلكيًا عن بُعد. ولّت أيام تدقيق المشغلين للبيانات وتسجيلها يدويًا. كما يمكن للمستخدمين الاطلاع على كمية بيانات الاستهلاك التي يستخدمونها يوميًا.

المباني الذكية

داخل المباني، تُستخدم شبكات LPWAN في المنشآت السكنية والتجارية والصناعية لجعلها أكثر ذكاءً. يمكن دمج أجهزة المنزل الذكي، مثل الأقفال الذكية وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والإضاءة، وإدارتها مركزيًا عبر LPWAN. في المباني المكتبية والتجارية، تُتيح LPWAN مراقبة مركزية لإشغال المساحات وأنظمة الأمان، مثل أجهزة استشعار الأبواب.

إدارة النفايات الذكية

يزداد استخدام الإدارة الذكية للنفايات في مبادرات المدن الذكية. تستطيع أجهزة الاستشعار المثبتة داخل صناديق القمامة مراقبة مستويات الامتلاء، ونقل البيانات عبر شبكة LPWAN إلى النظام المركزي. عند الوصول إلى مستويات امتلاء محددة مسبقًا، تُصدر تنبيهات لجمع النفايات والتخلص منها في الوقت المناسب. علاوة على ذلك، يُمكن الحصول على معلومات موقع شاحنات النفايات من خلال تزويدها بأجهزة تتبع LPWAN.

مواقف ذكية

في أنظمة مواقف السيارات الذكية، تُمكّن تقنية LPWAN من مراقبة وإدارة إشغال مواقف السيارات في الوقت الفعلي. تستطيع المستشعرات المُثبّتة في مواقف السيارات تحديد حالة الإشغال بدقة. يُمكن للمستخدمين التحقق من المواقف المتاحة عبر تطبيق جوال ودفع رسومها عن بُعد.

الزراعة الذكية

تتوسع شبكات LPWAN لتشمل أنظمة الزراعة الذكية. يمكن للمزارعين تركيب أجهزة استشعار متنوعة (رطوبة التربة، درجة الحرارة، الرطوبة، الضوء، إلخ) في الحقول. يمكنهم بعد ذلك جمع البيانات عن بُعد من تلك الأجهزة باستخدام شبكة LoRaWAN أو شبكات LPWAN أخرى مثل إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT).

مقارنة شائعة بين شبكات LPWAN المرخصة وغير المرخصة

نظرًا لكثرة تقنيات LPWAN المتاحة، يُعدّ الاختيار المدروس أمرًا بالغ الأهمية. ووفقًا لتقديرات أبحاث سوق إنترنت الأشياء (IoT Analytics)، بحلول عام 2024، سيتجاوز عدد... 97% سيتم نشر 4% من أنظمة LPWAN باستخدام تقنيات LTE-M، وNB-IoT، وSigfox، وLoRa. لذلك، سنقارن أفضل XNUMX تقنيات LPWAN: NB-IoT، وLTE-M، وSigfox، وLoRa.

جدول مقارنة بين NB-IoT و LTE-M و LoRaWAN و Sigfox

اتخاذ الاختيار الصحيح لشبكة LPWAN

إنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT) هي تقنية LPWAN من مشروع 3GPP، تستفيد من شبكات LTE/GSM الحالية لتوفير اتصال منخفض النطاق الترددي لأجهزة إنترنت الأشياء. تُحسّن هذه التقنية استهلاك طاقة الأجهزة، وسعة النظام، وكفاءة الطيف، وأداء التغطية العميقة، مما يُناسب حالات استخدام إنترنت الأشياء الصناعية، وأتمتة المباني، والمدن الذكية، ومراقبة الصحة، والاستجابة للكوارث.

يستهدف LTE-M تطبيقات مشابهة لإنترنت الأشياء ضيق النطاق (NB-IoT)، ولكن بنطاق ترددي أعلى، مما يتيح معدلات بيانات أعلى وأمانًا أكثر دقة، مع استهلاك طاقة أعلى. وهو مناسب للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية أعلى، مثل مراقبة الفيديو، حيث تكون قيود الطاقة أقل صرامة.

Sigfox وLoRaWAN تقنيتان غير تابعتين لـ 3GPP، وتعملان ضمن نطاق ترددي غير مرخص. تتيح نطاقاتهما الترددية الضيقة تشغيلًا منخفض الطاقة للغاية لنقل حمولات صغيرة غير متكررة من نقاط نهاية تتطلب عمر بطارية لسنوات، ولكن مع قيود منخفضة على معدل البيانات. تُعطي Sigfox الأولوية لانخفاض الطاقة وسهولة النشر، ولكنها تفتقر إلى وصلة تنزيل لتحديثات البرامج الثابتة. تدعم LoRaWAN إدارة الأجهزة ثنائية الاتجاه بتكلفة منخفضة. يمكن لكليهما دعم الزراعة الذكية، وتتبع الأصول، وسيناريوهات مراقبة إنترنت الأشياء منخفضة الإنتاجية ذات الصلة.

LPWAN هو المستقبل

باعتبارها تقنية جديدة سريعة التطور، فإن مشهد شبكات LPWAN في طور التطور ولم ينضج بعد. ومع كثرة المشاركين في السوق، لم يتم تحديد الفائزين بوضوح، لا سيما في ظل وتيرة توسع السوق غير المستقرة. كما لا يزال الأداء طويل الأجل لكل نوع من أنواع شبكات LPWAN غير مؤكد، حيث لا يزال العديد منها في مراحل النشر الأولية، مع نقص في الاختبارات العملية الشاملة وواسعة النطاق.

في الواقع، تشير الأبحاث الصادرة عن شركة ABI Research إلى زيادة متوقعة في اعتماد أجهزة إنترنت الأشياء، مع تقدير 5.3 مليار من المتوقع أن تستفيد أجهزة إنترنت الأشياء من تقنيات شبكات LPWAN بحلول عام 2030. ومن المشجع أن تُعدّ شبكات LPWAN أسرع مجالات الاتصال نموًا في السوق. ويعزى هذا النمو إلى الطلب على حالات استخدام مثل المراقبة عن بُعد، التي تتطلب عمليات نقل بيانات غير متكررة وتشغيلًا بالبطاريات، وهي خصائص تُعدّ تقنيات LPWAN مثاليةً لتلبية احتياجاتها.

احصل على أفضل أجهزة LPWAN IoT مع MOKO

بصفتنا شركة رائدة في تصنيع أجهزة إنترنت الأشياء، نقدم أجهزة LPWAN متعددة الاستخدامات وموثوقة. يوفر جهاز تتبع LoRaWAN والشبكات الخلوية لدينا أداء تتبع استثنائيًا. تواصل مع خبرائنا في إنترنت الأشياء للحصول على اقتراحات للحلول.

متابعة القراءة حول LPWAN

• LoRaWAN مقابل NB IoT: ما أوجه التشابه والاختلاف بينهما؟